Лучистое отопление и охлаждение — это категория технологий HVAC , которые обмениваются теплом как посредством конвекции , так и посредством излучения с окружающей средой, для обогрева или охлаждения которой они предназначены. Существует множество подкатегорий лучистого отопления и охлаждения, в том числе: «лучистые потолочные панели», [1] «встроенные поверхностные системы», [1] «термически активные строительные системы», [1] и инфракрасные обогреватели . Согласно некоторым определениям, технология включается в эту категорию только в том случае, если излучение составляет более 50% ее теплообмена с окружающей средой; [2] поэтому такие технологии, как радиаторы и охлаждающие балки (которые также могут включать лучистую передачу тепла) обычно не считаются лучистым отоплением или охлаждением. В этой категории практично различать высокотемпературное лучистое отопление (устройства с температурой источника излучения >≈300 °F) и лучистое отопление или охлаждение с более умеренными температурами источника. В этой статье в основном рассматриваются лучистое отопление и охлаждение с умеренными температурами источника, используемые для обогрева или охлаждения внутренних помещений. Умеренно-температурное лучистое отопление и охлаждение обычно состоит из относительно больших поверхностей, которые нагреваются или охлаждаются изнутри с помощью гидравлических или электрических источников. Для высокотемпературного внутреннего или наружного лучистого отопления см.: Инфракрасный обогреватель . Для применения в системах снеготаяния см.: Система снеготаяния .
Лучистое отопление — это технология отопления внутренних и наружных помещений. Отопление лучистой энергией наблюдается каждый день, наиболее часто наблюдаемым примером является тепло солнечного света. Лучистое отопление как технология определяется более узко. Это метод преднамеренного использования принципов лучистого тепла для передачи лучистой энергии от излучающего источника тепла к объекту. Конструкции с лучистым отоплением рассматриваются как замена традиционному конвекционному отоплению , а также как способ подачи ограниченного наружного отопления.
Лучистое отопление обогревает здание посредством лучистого тепла , а не традиционными методами, такими как радиаторы (в основном конвекционное отопление ). Примером может служить австрийско-немецкая печка ( Kachelofen ), тип каменного обогревателя . Смешанные системы излучения, конвекции и проводимости существуют со времен римского использования гипокауста . [3] Лучистое отопление под полом давно распространено в Китае и Южной Корее . [4] Тепловая энергия излучается из теплого элемента, такого как пол, стена или потолочная панель, и согревает людей и другие предметы в помещениях, а не напрямую нагревает воздух. Внутренняя температура воздуха для зданий с лучистым отоплением может быть ниже, чем для зданий с традиционным отоплением, чтобы достичь того же уровня комфорта для тела, если отрегулировать так, чтобы воспринимаемая температура была фактически такой же. Одним из ключевых преимуществ систем лучистого отопления является значительно уменьшенная циркуляция воздуха внутри помещения и соответствующее распространение частиц в воздухе.
Системы лучистого отопления/охлаждения можно разделить на:
Системы напольного и настенного отопления часто называют низкотемпературными системами. Поскольку их поверхность нагрева намного больше, чем у других систем, для достижения того же уровня теплопередачи требуется гораздо более низкая температура . Это обеспечивает улучшенный климат в помещении с более здоровым уровнем влажности. Более низкие температуры и большая площадь поверхности систем напольного отопления делают их идеальными источниками тепла для тепловых насосов с воздушным источником , равномерно и эффективно излучающими тепловую энергию из системы в комнаты в доме.
Максимальная температура нагреваемой поверхности может варьироваться от 29 до 35 °C (84–95 °F) в зависимости от типа помещения. Лучистые потолочные панели в основном используются в производственных и складских помещениях или спортивных центрах; они подвешиваются на несколько метров над полом, и температура их поверхности значительно выше.
В случае обогрева наружных площадок окружающий воздух постоянно движется. Полагаться на конвекционное отопление в большинстве случаев непрактично, поскольку после нагрева наружного воздуха он будет унесен движением воздуха. Даже в условиях отсутствия ветра плавучесть унесет горячий воздух. Наружные лучистые обогреватели позволяют нацеливаться на определенные пространства на открытой площадке, обогревая только людей и предметы на своем пути. Лучистые системы отопления могут работать на газе или использовать электрические инфракрасные нагревательные элементы. Примером потолочных лучистых обогревателей являются обогреватели для патио, которые часто используются для обслуживания на открытом воздухе. Верхний металлический диск отражает лучистое тепло на небольшую площадь.
Лучистое охлаждение — это использование охлажденных поверхностей для удаления явного тепла, в первую очередь, за счет теплового излучения и только во вторую очередь другими методами, такими как конвекция . ASHRAE определяет лучистые системы как поверхности с контролируемой температурой, где 50% или более расчетной теплопередачи происходит за счет теплового излучения. [5] Лучистые системы, которые используют воду для охлаждения лучистых поверхностей, являются примерами гидравлических систем. В отличие от «полностью воздушных» систем кондиционирования воздуха, которые циркулируют только охлажденный воздух, гидравлические лучистые системы циркулируют охлажденную воду в трубах через специально установленные панели на полу или потолке здания, чтобы обеспечить комфортную температуру. Существует отдельная система для подачи воздуха для вентиляции , осушения и, возможно, дополнительного охлаждения. [5] Лучистые системы менее распространены, чем полностью воздушные системы охлаждения, но могут иметь преимущества по сравнению с полностью воздушными системами в некоторых приложениях. [6] [7] [8]
Поскольку большая часть процесса охлаждения происходит за счет удаления явного тепла посредством лучистого обмена с людьми и предметами, а не с воздухом, тепловой комфорт для обитателей может быть достигнут при более высоких температурах внутреннего воздуха, чем при использовании систем охлаждения на основе воздуха. Системы лучистого охлаждения потенциально обеспечивают снижение потребления энергии на охлаждение. [6] Скрытые нагрузки (влажность) от обитателей, инфильтрации и процессов, как правило, должны управляться независимой системой. Лучистое охлаждение также может быть интегрировано с другими энергоэффективными стратегиями, такими как ночной смыв, непрямое испарительное охлаждение или тепловые насосы с использованием грунтовых вод , поскольку для этого требуется небольшая разница в температуре между желаемой температурой внутреннего воздуха и охлаждаемой поверхностью. [9]
Пассивное дневное радиационное охлаждение использует материал, который флуоресцирует в инфракрасном атмосферном окне , диапазоне частот, где атмосфера необычайно прозрачна, так что энергия уходит прямо в космос. Это может охладить теплофлюоресцентный объект до температуры ниже температуры окружающего воздуха, даже при ярком солнце. [10] [11] [12]
Первые системы лучистого охлаждения были установлены в конце 1930-х и 1940-х годов в Европе [13] и к 1950-м годам в США. [14] Они стали более распространенными в Европе в 1990-х годах и продолжают использоваться сегодня. [15]
Системы лучистого охлаждения потребляют меньше энергии, чем обычные системы охлаждения, согласно исследованиям, проведенным Национальной лабораторией Лоуренса в Беркли . Экономия энергии при лучистом охлаждении зависит от климата, но в среднем по США экономия составляет около 30% по сравнению с обычными системами. В прохладных, влажных регионах экономия может составлять 17%, а в жарких, засушливых регионах — 42%. [6] Жаркий, сухой климат дает наибольшее преимущество для лучистого охлаждения, поскольку в нем наибольшая доля охлаждения осуществляется за счет удаления явного тепла. Хотя это исследование является информативным, необходимо провести больше исследований, чтобы учесть ограничения инструментов моделирования и комплексных системных подходов. Большая часть экономии энергии также объясняется меньшим количеством энергии, необходимой для перекачивания воды, по сравнению с распределением воздуха с помощью вентиляторов. Связывая систему с массой здания, лучистое охлаждение может перенести часть охлаждения на ночные часы внепиковой нагрузки. Лучистое охлаждение, по-видимому, имеет более низкие первоначальные затраты [16] и затраты на жизненный цикл по сравнению с обычными системами. Более низкие первоначальные затраты в значительной степени обусловлены интеграцией с элементами конструкции и дизайна, в то время как более низкие затраты на жизненный цикл являются результатом сокращения технического обслуживания. Однако недавнее исследование по сравнению с VAV-перегревом и активными охлаждающими балками и DOAS поставило под сомнение заявления о более низкой первоначальной стоимости из-за дополнительных затрат на трубопроводы [17]
Из-за возможности образования конденсата на холодной излучающей поверхности (что приводит к повреждению водой, плесени и т. п.) системы лучистого охлаждения не получили широкого распространения. Конденсация , вызванная влажностью, является ограничивающим фактором для охлаждающей способности системы лучистого охлаждения. Температура поверхности не должна быть равна или ниже температуры точки росы в помещении. Некоторые стандарты предполагают ограничение относительной влажности в помещении до 60% или 70%. Температура воздуха 26 °C (79 °F) будет означать точку росы между 17 и 20 °C (63 и 68 °F). [9] Однако существуют данные, которые предполагают, что снижение температуры поверхности до температуры ниже температуры точки росы в течение короткого периода времени может не вызвать конденсации . [16] Кроме того, использование дополнительной системы, такой как осушитель или DOAS , может ограничить влажность и обеспечить повышенную охлаждающую способность.
Хотя существует широкий спектр системных технологий, существует два основных типа систем лучистого охлаждения. Первый тип — это системы, которые обеспечивают охлаждение через строительную конструкцию, обычно плиты. Эти системы также называются термически активируемыми строительными системами (TABS). [18] Второй тип — это системы, которые обеспечивают охлаждение через специализированные панели. Системы, использующие бетонные плиты, как правило, дешевле панельных систем и предлагают преимущество тепловой массы, в то время как панельные системы предлагают более быстрый контроль температуры и гибкость.
Лучистое охлаждение от плиты может быть доставлено в пространство с пола или потолка. Поскольку системы лучистого отопления, как правило, находятся в полу, очевидным выбором будет использование той же системы циркуляции для охлажденной воды. Хотя это имеет смысл в некоторых случаях, подача охлаждения с потолка имеет несколько преимуществ.
Во-первых, легче оставить потолки открытыми для комнаты, чем полы, что увеличивает эффективность тепловой массы. Полы имеют недостатки в виде покрытий и мебели, которые снижают эффективность системы.
Во-вторых, через охлажденный потолок происходит более интенсивный конвективный теплообмен, поскольку теплый воздух поднимается вверх, что приводит к тому, что больше воздуха соприкасается с охлажденной поверхностью.
Охлаждение через пол имеет наибольший смысл, когда проникновение солнечных лучей обеспечивает высокий уровень солнечного тепла, поскольку прохладный пол может легче отводить эти нагрузки, чем потолок. [9]
Охлажденные плиты, по сравнению с панелями, предлагают более значительную термическую массу и, следовательно, могут лучше использовать внешние суточные колебания температуры. Охлажденные плиты стоят меньше на единицу площади поверхности и более интегрированы со структурой.
Лучистые/конвективные системы отопления/охлаждения обычно интегрируются в плиты или подвесные потолки или крепятся к потолкам, но могут крепиться и к стенам. Модульная природа потолочных панелей обеспечивает повышенную гибкость с точки зрения размещения и интеграции с освещением или другими электрическими системами, но менее эффективны, чем системы охлаждающих балок. Более низкая тепловая масса по сравнению с охлаждающими плитами означает, что они не могут легко воспользоваться преимуществами пассивного охлаждения от теплового аккумулятора, но элементы управления могут быстрее подстраиваться под изменения наружной температуры. Охлаждающие балки/потолки также лучше подходят для зданий с пространствами, которые имеют большую дисперсию в охлаждающих нагрузках. [5] Перфорированные панели также обеспечивают лучшее акустическое демпфирование, чем охлаждающие плиты. Потолочные панели очень подходят для модернизации, поскольку их можно прикрепить к любому потолку. Охлаждающие потолочные панели можно легче интегрировать с вентиляцией, подаваемой с потолка.
Оперативная температура является показателем теплового комфорта , который учитывает эффекты как конвекции, так и излучения. Оперативная температура определяется как равномерная температура излучающе-черного помещения, в котором находящийся в нем человек обменивался бы тем же количеством тепла посредством излучения и конвекции, что и в фактической неоднородной среде.
При использовании лучистых систем тепловой комфорт достигается при более высокой температуре внутри помещения, чем при использовании полностью воздушных систем в сценарии охлаждения, и при более низкой температуре, чем при использовании полностью воздушных систем в сценарии отопления. [19] Таким образом, лучистые системы могут помочь добиться экономии энергии при эксплуатации здания, сохраняя при этом желаемый уровень комфорта.
На основе масштабного исследования, проведенного с использованием опроса жильцов Центра по изучению качества внутренней среды ( IEQ) для сравнения удовлетворенности жильцов в излучающих и полностью кондиционируемых зданиях, обе системы создают одинаковые условия внутренней среды, включая акустическую удовлетворенность, с тенденцией к улучшению удовлетворенности температурой в излучающих зданиях. [20]
Асимметрия лучистой температуры определяется как разница между плоской лучистой температурой двух противоположных сторон небольшого плоского элемента. Что касается жильцов внутри здания, поле теплового излучения вокруг тела может быть неравномерным из-за горячих и холодных поверхностей и прямого солнечного света, что приводит к локальному дискомфорту. Норма ISO 7730 и стандарт ASHRAE 55 дают прогнозируемый процент недовольных жильцов (PPD) как функцию от асимметрии лучистой температуры и указывают приемлемые пределы. В целом люди более чувствительны к асимметричному излучению, вызванному теплым потолком, чем к излучению, вызванному горячими и холодными вертикальными поверхностями. Подробный метод расчета процента недовольных из-за асимметрии лучистой температуры описан в ISO 7730.
Хотя конкретные требования к проектированию будут зависеть от типа излучающей системы, для большинства излучающих систем характерны некоторые общие проблемы.
Системы лучистого охлаждения обычно являются гидроническими , охлаждающими с помощью циркулирующей воды, протекающей по трубам в тепловом контакте с поверхностью. Обычно циркулирующая вода должна быть всего на 2–4 °C ниже желаемой температуры воздуха в помещении. [9] После поглощения активно охлаждаемой поверхностью тепло отводится водой, протекающей через гидронный контур, заменяя нагретую воду более холодной.
В зависимости от расположения труб в конструкции здания гидравлические лучистые системы можно разделить на 4 основные категории:
Норма ISO 11855-2 [24] фокусируется на встроенных системах поверхностного нагрева и охлаждения на основе воды и TABS. В зависимости от деталей конструкции эта норма различает 7 различных типов этих систем (типы от A до G)
Лучистые системы связаны с системами с низкой эксергией. Низкая эксергией относится к возможности использовать «энергию низкого качества» (т. е. рассеянную энергию, которая имеет мало возможностей для выполнения полезной работы). И отопление, и охлаждение в принципе могут быть получены при уровнях температуры, близких к температуре окружающей среды. Низкая разница температур требует, чтобы передача тепла происходила по относительно большим поверхностям, как, например, применяется в системах потолочного или напольного отопления. [25] Лучистые системы, использующие низкотемпературное отопление и высокотемпературное охлаждение, являются типичным примером систем с низкой эксергией. Источники энергии, такие как геотермальная (прямое охлаждение / геотермальный тепловой насос) и солнечная горячая вода, совместимы с лучистыми системами. Эти источники могут привести к значительной экономии с точки зрения использования первичной энергии для зданий.
Некоторые известные здания, использующие лучистое охлаждение, включают аэропорт Суварнабхуми в Бангкоке , [26] здание Infosys Software Development Building 1 в Хайдарабаде, IIT Hyderabad , [27] и исследовательский центр Сан-Франциско . [28] Лучистое охлаждение также используется во многих зданиях с нулевым потреблением энергии . [29] [30]
Тепловое излучение — это энергия в форме электромагнитных волн, излучаемая твердым телом, жидкостью или газом в результате его температуры. [31] В зданиях поток лучистого тепла между двумя внутренними поверхностями (или поверхностью и человеком) зависит от излучательной способности излучающей тепло поверхности и фактора обзора между этой поверхностью и воспринимающей поверхностью (объектом или человеком) в помещении. [32] Тепловое (длинноволновое) излучение распространяется со скоростью света по прямым линиям. [5] Оно может отражаться. Люди, оборудование и поверхности в зданиях будут нагреваться, если они поглощают тепловое излучение, но излучение не нагревает заметно воздух, через который оно проходит. [5] Это означает, что тепло будет перетекать от объектов, людей, оборудования и источников света в пространстве к охлажденной поверхности, пока их температура выше, чем у охлажденной поверхности, и они находятся в пределах прямой или непрямой видимости охлажденной поверхности. Часть тепла также удаляется конвекцией, поскольку температура воздуха будет понижаться, когда воздух соприкасается с охлажденной поверхностью.
Передача тепла излучением пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры поверхности.
Излучательная способность материала (обычно обозначается ε или e) — это относительная способность его поверхности излучать энергию посредством излучения. Черное тело имеет излучательную способность 1, а идеальный отражатель имеет излучательную способность 0. [31]
При лучистом теплообмене фактор обзора количественно определяет относительную важность излучения, которое покидает объект (человека или поверхность) и попадает на другой, учитывая другие окружающие объекты. В закрытых помещениях излучение, покидающее поверхность, сохраняется, поэтому сумма всех факторов обзора, связанных с данным объектом, равна 1. В случае комнаты фактор обзора излучающей поверхности и человека зависит от их относительного положения. Поскольку человек часто меняет положение, а в комнате может находиться много людей одновременно, можно использовать диаграммы для всенаправленного человека. [33]
Время отклика (τ95), также известное как постоянная времени , используется для анализа динамических тепловых характеристик излучающих систем. Время отклика для излучающей системы определяется как время, необходимое для того, чтобы температура поверхности излучающей системы достигла 95% разницы между ее конечными и начальными значениями, когда в качестве входных данных применяется ступенчатое изменение в управлении системой. [34] На него в основном влияют толщина бетона, расстояние между трубами и, в меньшей степени, тип бетона. На него не влияют диаметр трубы, рабочая температура помещения, температура подаваемой воды и режим потока воды. Используя время отклика, излучающие системы можно классифицировать на быстро реагирующие (τ95< 10 мин, как RCP), средне реагирующие (1 ч < τ95< 9 ч, как Тип A, B, D, G) и медленно реагирующие (9 ч < τ95< 19 ч, как Тип E и Тип F). [34] Кроме того, напольные и потолочные излучающие системы имеют разное время отклика из-за разных коэффициентов теплопередачи с тепловой средой помещения и положением встроенной трубы.
Камины и дровяные печи
24-6. Первым большим зданием в Цюрихе, оборудованным комбинированной системой лучистого отопления и охлаждения, является универмаг Jelmoli (рис. 24-1). Первые секции этого магазина были возведены в период с 1899 по 1932 год и оборудованы стандартной системой радиаторного отопления с использованием пара низкого давления; последняя секция была возведена в 1933-37 годах и оборудована комбинированной системой лучистого отопления и охлаждения... Административное здание Saurer Co. в Арбоне и муниципальная больница в Базеле являются одними из наиболее важных зданий, недавно оборудованных системами лучистого охлаждения.
Этот тип системы оказался успешным в нескольких установках. Впервые он был опробован в нескольких демонстрационных помещениях в Radio City около пяти лет назад. С тех пор он появился в 30-этажном здании Alcoa, а также в другом многоэтажном здании в Канаде. Обе последние конструкции отапливаются зимой и охлаждаются летом с помощью тех же змеевиков труб в металлических потолках.